浅论非均质地基中被动群桩分析及桩基水平循环加载特性

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1、同济大学土木工程学院博士学位论文非均质地基中被动群桩分析及桩基水平循环加载特性姓名：张陈蓉申请学位级别：博士专业：岩土工程指导教师：黄茂松;MarkFRandolph20091201摘要桩基础作为一种古老的深基础形式，广泛应用于建筑物、桥梁、石油平台等结构物中。随着现代化生产生活的需求，桩基础的应用条件变得日趋复杂，目前桩基础理论研究已经滞后于工程实践需要。采用合理的理论方法分析复杂条件下的桩基础以对其力学反应进行正确评估，对岩土工程师来说是很重要的问题。本文首先对主动受荷桩、被动受荷桩以及水平循环荷载作用下的桩基础研究现状进行了回顾。在此基础上，对

2、非均质地基中被动群桩的力学反应以及根式锚碇沉井基础的受力变形特性进行了非线性分析。另外本文还对水平循环荷载作用下的单桩进行了离心模型试验以及二维有限元数值模拟。本文的研究内容主要包括以下几个方面：(1)基于层状Winkler地基模型，考虑竖向和水平向桩侧极限土抗力，提出了地下工程开挖条件下非均质地基中被动群桩力学反应的非线性分析方法。首先在Winkler地基模型的基础上引入竖向和水平向桩侧极限土抗力以考虑单桩的非线性特性，建立主动荷载下单桩的位移控制方程。在此基础上，将基坑开挖引起的自由土体位移施加于桩上，建立被动单桩的位移控制方程。在被动群桩的桩桩

3、相互作用分析方面，考虑了被动群桩的遮拦效应，根据剪切位移法和Mindlin解得到土体竖向、水平向位移传递系数。然后采用有限差分法求解以考虑天然地基土的层状特性，形成非均质地基中被动群桩的非线性分析方法。(2)考虑根键的强化效应，建立了根式锚碇沉井基础受力变形特性的非线性分析方法。在主动桩分析模型的基础上将根键模拟为小的地基梁，以考虑根键的存在对沉井土体相互作用的加强，采用矩阵传递法考虑分层土地基，基于考虑主动群桩遮拦效应的桩桩相互作用进行群井分析，得到了根式锚碇基础的简化理论方法，通过与现场原位试验的对比验证了本文提出方法的合理性。(3)开展了水平循

4、环荷载作用下单桩的离心模型试验，探讨了水平循环受荷桩的极限土抗力和桩侧刚度的变化规律。从水平累积塑性位移的角度将循环荷载作用下单桩刚度的降低与T-bar循环贯入测试过程中土体的抵抗降低联系起来，分别就循环荷载对桩侧极限土抗力的影响，水平位移幅值、先期循环荷载、循环加载与再固结反复进行下桩侧刚度的变化趋势进行了分析。(4)基于考虑土体损伤软化的软粘土不排水弹塑性模型，建立水平循环受荷桩的数值分析方法。从土体损伤的角度对水平循环荷载作用下的单桩桩土相互作用进行了有限元数值模拟，就桩土相互作用机理进行分析，分别考虑水平位移幅值，土体刚度指数、土体应变软化参

5、数对水平循环荷载作用下桩侧刚度的影响。关键词：被动群桩，非线性行为，桩桩相互作用，根键，循环荷载，土体损伤ABSTRACTWiththedevelopmentofscienceandtechnologyandthemodemizationdemand，pilefoundationsareusedinmuchmorecomplexconditionsnow,suchaspilessubjectedtoexcavationinducedsoilmovement，pilesdesignedtoresistcyclicloadsinoffshoreengin

6、eering．Itisanimportantissueforgeotechnicalengineerstoestimateaccuratelythebehaviorofpilefoundationsundercomplicatedloadingconditions．Firstly,theresearchofactivepiles，passivepilesandpilesundercycliclateralloadisreviewed．Thenasimplifiedanalysismethodisdevelopedtostudythenonlinear

7、responseofpassivepilegroupsandthebehaviorofanchorfoundationswithroot-caisson．Aseriesofcentrifugemodeltestandnumericalsimulationwerealsocarriedouttoinvestigatethebehaviorofsinglepilesundercycliclateralload．Thestudyofthepaperconsistsofthefollowingparts：(1)OnthebasisofWinklersubgr

8、ademodel，asimplifiedanalysismethodispresentedtoanalyse